（水工结构工程专业论文）抗滑桩治理滑坡的应用技术研究.pdf

抗滑桩治理滑坡的应用技术研究 摘要 抗滑桩在我国用于滑坡的预防和治理已经有了四十多年的历史。本文主要 研究了抗滑桩在滑坡治理中的应用和设计方法，介绍了抗滑桩的历史和发展情 况并深入探讨了抗滑桩的作用机理、计算参数的选取、设计理论和桩的使用条 件等。对一些普遍规律进行了总结并对目前采用的设计方法中存在的问题和设 计中应注意的事项提出了一些看法。 本课题结合自己参加芜湖市城市防洪青弋江花津桥防洪墙滑坡治理工程的 设计实践，在该滑坡工程地质勘察、土工试验和监测资料的基础上，详细的分 析了该滑坡产生的原因和原抗滑桩加固设计上的缺陷，建立了滑坡和抗滑桩的 简化力学模型，阐明了抗滑桩的作用机理。利用极限平衡理论，采用传递系数 法，系统地给出了滑坡推力和桩前剩余抗滑力的计算方法。计算桩身内力时分 别利用悬臂桩法、弹性地基框架和t o m i oi t o 塑性变形理论建立力学模型，并给 出了设计中计算参数取得的途径和具体的计算步骤。同时将竣工后的监测值和 理论计算值作了比较，分析了两者问误差产生的原因和各计算方法的局限性。 最后还提出了计算分析中未考虑的因素以利于进一步深入研究。 关键词：滑坡抗滑桩悬臂桩法弹性地基框架塑性变形理论 t h er e s e a r c ho f a n t i s l i d ep i l ef o rl a n d s l i d ec u r e a b s t r a c t a n t i s l i d i n gp i l eh a sb e e nu s e df o rp r e v e n t i o na n dc u r el a n d s l i d em o r et h a n f o r t yy e a r s t h et r e a t i s es t a r t sf r o m t h eh i s t o r ya n da p p l i c a t i o no fa n t i s l i d ep i l e ，a n d d i s c u s sr o u n d l yt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nl a n d s l i d ea n da n t i s l i d ep i l ea s w e l ia st h em e t h o do fd e s i g na n dc a l c u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e s c e r t a i nr o l e sa n dp u t sf o r w a r ds o m eo p i n i o n sf o rt h ed e s i g n ，s u c ha st h em e t h o di nt h e t r e a t i s eo f d e s i g nw i t hi t sc h a r a c t e r s b a s e do nas u c c e s s f u ld e s i g nf u rs t r e n g t h i n go f l a n d s l i d eo f a n t i f l o o dw a l lb a s e l o c a t e da tw u h uh 蛔i n gb r i d g e ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h er e s u l to fl a n d s l i d ea n dt h e b u g o ft h el a s td e s i g nw h i c hw a saf a i l u r e ，a n db u i l dt h es i m p l i f i e dm a c h a n i c sm o d e l o fa n t i s l i d e p i l e s f r o m t h e m o d e l ，t h e l a n d s l i d et h r u s ta n dr e m a n e n t s l i d i n g r e s i s t a n c eb e h i n dt h ep i l e sc a nb ec a l c u l a t e dw i t ht h el i m i te q u i l i b r i u mt h e o r ya n d t o e 蚯c i e n to ft r a n s m i s s i o nm e t h o d t h ei n t e r n a l f o r c eo ft h ea n t i s l i d e p i l e i s c a l c u l a t e dw i t h 也ec a n t i l e v e rp i l em e t h o d t h ef r a m eo ne l a s t i cb a s em e t h o da n d t o m i oi t o sp l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r yo nt h eb a s eo ft h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r w i m t h ec o m p a r i s o no ft h et h e o r e t i cr e s u ra n dt h ef r a c t u a lm e a s u r er e s u l t ，t h ea u t h o r a n a l y z e st h ee r r o r sr e a s o n f i n a l l y , f fh a v eb e e np o i n t e do u tt h a tt h ef a c t o r sw h i c h w e r en o tc o n s i d e r e da n dt h el i m i t i o no fc a l c u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：l a n d s f i d e ，a n t i s l i d ep i l e ，c a n t i l e v e rp i l em e t h o d ，f r a l n eo ne l a s t i cp l a s t i c b a s e ，d e f o r m a t i o nt h e o r y 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名 绷 葛狄 合肥工业大学教授 合肥工业大学教授 乡砚p 治 安徽省水利水电勘测设计院正高 乒诜佩心安徽省水利水电勘测设计院 正高 书戚时澎肌一融授 导师： 易芝 合肥工业大学副教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒a b 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：力岂鑫签字日期：。年7 月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 艘王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复黼手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刀色鑫 签字日期：口甲年7 月彳日 学位论文作者毕业后去向 ：c 作单位；槲删乎屯努哆设彳刚 通讯地址：名p 尹曙光腾f 导 导师签名 1 要 勿，$ 签字日期：。十年弓月z 日 电话：，中压 邮编：卫弘。站 致谢 本人在研究生学习、生活期间，自始至终得到导师王慧老师无微不至的关 怀。在文献检索、资料收集、调研考察、论文选题和论文撰写过程中，导师给 予了具体悉心的指导，提出了许多宝贵的意见和建议。导师严谨的治学态度， 刻苦钻研、兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使我深受启迪，受益匪浅。 在此我向导师致以最诚挚的敬意和深深的感谢! 在本文写作过程中，得到了安徽省水利水电勘测设计院的各位同事，尤其 是芜湖市城市防洪青弋江花津桥滑坡整治工程设计项目组全体同事的无私帮 助，在此向他们表示深深的谢意! 感谢我的父母和妻子对我学习的支持与鼓励，感谢所有在我生活、学习期 间，支持和帮助过我的老师、同学。 沈鑫 二零零四年九月 1 1 滑坡灾害 第一章绪论 滑坡是指在一定的地形地质条件下，由于各种自然或人为因素的影响破坏 了岩( 土) 体的力学平衡条件，使山坡上的不稳定岩( 土) 体在重力作用下，沿着山 体内部某一软弱面( 带) 作整体的、缓慢的、间歇性的滑动的不良地质现象m 。 其特点是：滑体在向下滑动时始终与下伏滑床保持接触，其水平移动分量一般 大于垂直移动分量。滑坡的种类较多，根据滑坡体的物质组成、厚度及滑坡的 成因、各部分滑动的先后顺序可以将滑坡作图1 1 分类m 1 。 图1 - 1 滑坡分类 滑坡同崩塌、错落、泥石流一样是山区建设中经常遇到的一大自然灾害， 严重者中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿和掩埋村镇，给国家和人民造成巨大损 失。随着人口的急速增长和土地资源的过度开发，边坡问题已成为同地震和火 山相并列的全球性三大地质灾害( 源) 之一，也就是人们广为知晓的滑坡、泥石流 p j 。从以下两个典型实例可见滑坡的恶果。一是1 9 2 0 年在甘肃发生地震的地区， 滑坡使1 0 万人丧生( c l o s e m e c o r m i c k ，1 9 9 2 ) 一：二是1 8 9 3 年印度u p p e r g a r h w a l 发生的人类历史上最大的一次滑坡，使整个城市和村庄冲刷到远处( l e g g e r ，1 9 9 2 ) 1 4 0 j 。鉴于此，近年来滑坡、泥石流问题在地学和水土保持领域成为比以往任何 时候更重要更迫切的研究课题。1 9 8 7 年联合国通过决议，成立国际减灾十年组 织，把上世纪最后十年定为国际减轻自然灾害十年( t d n d r ) ，主要研究地震、 风暴、海啸、洪水、滑坡、火山爆发，森林火灾等灾害给人类带来的损失及其 防治措施。这标志着人类面对自然灾害已经从单一的、局部的认识水平发展综 合的区域性的高度。由此可见，对滑坡进行研究及防治具有重要意义。 1 2 影响边坡稳定性的因素 边坡的失稳分为两种情况。一是人为造成的，如修建铁路、公路等工程对 边坡的切割，从而引起边坡应力的重分布，在应力的调整过程中若沿某一条滑 移线上应力达不到新的平衡，则岩土体发生屈服或破坏，从而造成边坡发生失 稳：相反若调整过程中，应力达到新的平衡，则边坡处于稳定状态。二是非人 为因素造成的，即边坡由于受各种因素的影响而产生变形的积累，当变形达到 某一界限时，边坡发生较大规模的变形( 突变) ，从而失稳。 在众多的影响因素当中，地质因素是第一位的【j j 。因为边坡是处在一定历 史时期内的地质体，它的形成与发展首先受到她质因素的控制。在地质因素中， 地质结构( 或构造) 又是影响边坡稳定的最重要因素。当边坡在各种外力的作用 下，它本身的应力调整过程受到自身结构的影响。象边坡中一些软弱结构面， 边坡自身强度的因素都是边坡稳定的首要因素。它们的发展规律( 调控过程) 决定 了边坡是否能够适应稳定的要素。另外，影响边坡稳定性的重要因素就是地下 水的作用。地下水的作用不仅在边坡具有一定的静水压力和渗透压力，同时对 边坡的岩土体的强度，尤其是抗剪强度具有一定的软化作用，从而增大了边坡 失稳的概率。纵观边坡失稳的情况，有相当部分的边坡失稳是在降雨之后( 特别 是大雨和暴雨情况) 发生的，这说明水对边坡的稳定起到特别重要的作用。云阳 鸡扒子滑坡的发生就明显地受到地下水的控制作用。滑坡的发生，是因为西侧 石板沟被小型崩塌堵塞，在其上形成积水塘后，大量降雨无法沿石板沟直接下 泄，而变为沿滑面泥岩渗透，改变了滑坡体的水文地质条件，从而产生急剧的 大规模的滑动一j 。第三个影响边坡稳定的自然因素就是外部环境。如人为的开 挖和切割，地震诱发的边玻破坏以及洪水因素造成的边坡破坏等。有一些边坡 在外力的作用下使得边坡开始重新分配平衡力。当分配过程中，某些因素造成 的强度达到一定极限时，开始失去平衡，以至于整个边坡失稳。在饱和软弱地 基上修建堤坝，经常导致堤坝和地基一起滑动。高填方本身也会在填筑工程中 发生滑坡。 应该强调指出的是，滑坡形成的条件及影响因素是非常复杂的，绝非是单 因素影响的结果，而是在各种因素作用下的综合效应。显然，在上述诸因素中， 地质因素是产生滑坡的基础，非地质因素是诱导或触发条件，加速滑坡的发展 过程f 3 。 1 3 常用滑坡防治措施简介 1 3 1 防治原则 在选择防治措施前，要详细调查地形，地质和水文条件，认真研究和确定 滑坡的类型及其发展的阶段；分析形成滑坡的主、次要因素及彼此的联系，结 合工程的重要程度、施工条件及其它各种情况综合考虑。 i ) 对于性质复杂的大型滑坡，可以绕避时应尽量绕避。当绕避有困难或在 经济上显著不合理时，应视滑坡规模、公路与滑坡的相互影响程度、防治费用 等，设计几种方案比选。 2 1 对可能突然发生急剧变形的滑坡，应采取迅速有效的工程措施；对于滑 动缓慢的大型滑坡，宜全面规划，分期整治，仔细观察每期的效果，以采取相 应的治理措施；对于施工及建成运用中产生的大型滑坡，应慎重作出绕避方案、 治理方案或局部改线与防治措施相结合的方案等，在进行全面综合比较后决定 取舍。 3 1 整治滑坡应首先做好排水工程，然后针对滑坡滑动的主要因素，结合工 程的重要程度、施工条件及其它要求，采用以防为主、综合治理的原则。滑坡 整治宜在旱季旌工，并注意施工方法，避免引起滑坡的发展。 1 3 2 坡面排水措施 环形截水沟：环形截水沟应设在滑坡顶部裂缝以外不小于5 m 的稳定地面 上，向一侧或两侧的自然沟谷排出滑坡范围。 树枝状排水沟：树枝状排水沟应结合地形条件，充分利用自然沟系，汇集 坡面径流排出滑体外，排水沟通过地面裂缝处应设置搭叠式排水槽。 明沟与渗沟相配合的引水工程：适用于滑体内的泉水或湿地。目的在于排 除山坡上层滞水和疏干边坡土体含水。 平整夯实自然山坡坡面：如山坡土质疏松，坡面水易于阻滞下渗，应对坡 面整平夯实，填塞裂缝，防治坡面径流汇集下渗。 绿化工程：对于浅层滑坡和渗水严重的粘性土滑坡时，应在滑坡体上植树、 种草。 1 3 3 地下排水措施 支撑盲沟：适用深度为2 l o r e ，用以支撑不稳定的滑坡体，兼起排除和疏 干滑坡体内浅层地下水的作用。 支撑盲沟有主干和分支两种。主干平行于滑动方向，布置在地下水露头处 或土中水形成塌陷的地方。支沟应根据坡面汇水情况合理布置，可与滑坡移动 方向成3 0 4 5 夹角，并可延伸到滑坡范围以外。如推力大、范围广，可采用抗 滑挡土墙与支撑渗沟相结合的治理措施。 边坡渗沟：当滑坡前缘的边坡上有地下水分布或坡面潮湿时，应修建边坡 渗沟。当边坡只是局部潮湿且面积不大时，宣布置成条带形；当局部潮湿面积 较大时，宜布置成分岔形；当边坡普遍潮湿时，应布置成拱形或人字形。 截水渗沟：当有丰富的深层地下水进入滑坡体时，宜垂直于地下水流的方 向上设置截水渗沟以拦截地下水，并排出滑坡体外。 暗沟：需排除滑坡体内外的封闭积水或深层地下水时可设置暗沟。 平孑l ：用平孔排出滑坡地下水，具有施工方便、工期较短、节省材料和劳 动力的特点，是一种经济有效的措施。 渗水隧洞：主要用于截排或引排集中于滑面附近，埋藏较深的一层地下水。 对于滑面以上的其它含水层，可在渗水隧洞顶上设置若干渗井或渗管将水引入 洞内。 1 3 4 减重与反压措施 推动式滑坡由错落转化的滑坡，宜采用滑坡后缘减重，前缘反压措施。滑 床具有上陡下缓形状，滑坡后缘及两侧地层相当稳定，不致因减重开挖而引起 滑坡向后及向两侧发展时，宜采用减重措旎。滑坡前缘有较长的抗滑段，宜利 用减重弃土反压抗滑。在滑体或滑带土具有卸荷膨胀开裂的情况下，不应采用 减重措施。经过滑坡推力计算，划分出主滑带和抗滑带，在前者部位减重，在 后者部位反压。 1 3 5 支挡工程 支挡工程的主要发展表现在一大、二锚、- - 4 , ，即大直径抗滑桩、锚索和 微型桩的研究和应用。 抗滑桩：抗滑桩是承受侧向荷载用以整治滑坡的支挡建筑物，它穿过滑体 在滑床的一定深度处锚固，抵抗滑坡推力的作用。它适用于除流塑性滑坡以外 的各种类型滑坡。工程实践表明，抗滑桩能迅速、安全、经济的解决一些比较 困难的工程，因此发展较快，是目前广泛使用的治理滑坡的有效措施。 抗滑片石垛：一般用于滑体不大、自然坡度平缓、坡脚下部较浅处的滑坡。 抗滑挡土墙：抗滑挡土墙应设置在滑坡下部或前缘抗滑段，对于大型滑坡， 可与排水、减重措施联合使用；对于中小型滑坡，可与支撑盲沟联合使用。 锚杆结构：目前主要采用柱板式锚杆挡土墙、竖向、预应力锚杆挡土墙和 锚杆加固等。它是利用锚杆的抗拔力或抗剪力以及滑动岩层间的摩擦阻力来阻 止岩块的下滑。 锚索和锚索抗滑桩：用锚索单独稳定滑坡，通常在滑坡体上设置若干排锚 索，锚固于滑动面下的稳定地层中，地厩用梁或墩作为反力装置给滑体施加一 预应力来稳定护坡。锚固方式有两种：一是灌水泥砂浆锚固，即摩擦型；二是 机械式锚固，即所谓承压型。 锚索抗滑桩即在抗滑桩顶加2 4 束锚索，改变了原普通抗滑桩的悬臂受力 状态，接近简支梁的受力，由被动受力状态转为主动受力，同时解决了滑体压 缩造成的预应力损失问题。 微型桩群：微型桩是指直径小于3 0 0 r a m 的插入桩或灌注柱。它的应用形式 有许多微型桩密布在滑体上，穿过滑动面，增加抗滑力呈树根桩将滑体与不动 体形成一个复合体，微型桩加横梁形成排架结构抗滑，微型桩网与包围的土体 形成一重力式挡土墙结构抗滑。微型桩治理中小型滑坡是一个发展方向，但目 前设计方法和参数还研究不足，有待进一步研究。 1 3 6 滑带土改良1 滑带土改良目的在于提高滑带土的强度，增加滑坡自身的抗滑力。采用的 方法有化学处理法、焙烧法、电渗法、灌浆法等，但至今进展较小，主要是处 理效果难以检验。 化学处理法：不少研究工作者和专业人员曾对灌注化学溶液处理不稳定土 坡的各种方案做过尝试。该项技术包括用浓缩的化学溶液处理沿潜在滑动面的 粘土矿物。虽然处理后的大多数粘土的剪切带初始强度是较低的，但是，强度 相对的较小增加通常就足以使滑体稳定。 高压喷射注浆法：利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进滑体滑动面的预定位 置后，以高压设备使浆液或水以2 0 m p a 左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击 破坏土体。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。它不仅具有加固质量好、 可靠性高、止水防渗、防止砂土液化、降低土中含水量和减少支挡结构上的滑 体压力等特点，而且还具有不影响邻近建筑物、不对周围环境产生危害、不影 响滑体上的建筑物、道路交通和节省钢材等特点。 电渗法：现场有效增加土体抗剪强度方法之一是电渗法。这种方法虽然费 用昂贵，但它能够引起孔隙水在预先埋置的电极之间迁移，孔隙水的损失又可 引起土壤固结并增加土的抗剪强度。 焙烧法：多年来，苏联人曾试验并叙述了在塑性黄土质土中焙烧法的成功 事例。高温处理使路堤或路堑边坡永久干燥。希尔i 1 1 ) 也在2 0 世纪3 0 年代就 讨论了美国焙烧法的应用情况。 1 4 抗滑桩的应用与发展 1 4 1 国外状况 二次世界大战后，各国随着工业交通的恢复和发展，工程建设中出现了不 少滑坡问题，人们通常采用削坡减载、修建挡土墙、加强排水、改良土层等综 合整治措施。由于高大挡土墙造价昂贵，1 虱9 1 从二十世纪四十年代起逐渐采用 抗滑桩来整治滑坡。例如，1 9 6 4 年，英国铁路某处滑坡造成山体与挡土墙一并 滑动，采用抗滑桩加固后，即达到稳定。加固简图见图1 - 2 。 边坡线 图1 _ 2 英国铁路某滑坡横断面示意图 日本的抗滑桩，目前大都采用工字钢或钢管。采用钢管时，则在其中灌注 混凝土，如图1 3 所示。这种钢管混凝士钻孔桩，最早是1 9 6 1 年用于整治确玉 县二濑坝水库左岸的滑坡，在3 0 c m 直径的小型钻孔中安放钢管桩。在整治新泻 滑坡，则是在大型钻孔中安放钢筋混凝土管桩。就地灌注钢筋混凝土桩，在日 本普遍认为是切实可行的工程措施。 ( a ) 工字钢插入钢管 ( b ) 钢管外附补强管( c ) 双重钢管 图1 - 3日本抗滑桩结构图 美国旧金山，1 9 6 7 年，由于在铁路隧道的上部开挖公路，导致山体滑动， 以后经在隧道两侧设6 0 根钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩顶两两对应用横撑联结， 组成3 0 对排架抗滑桩，稳定了山体。钻孔直径1 2 2 m ，孔内放置型钢。 二十世纪七十年代初，奥地利公路部门将锚索或锚杆和抗滑桩结合起来整 治滑坡。如图1 - 4 ，钻孔桩直径有1 3 m 和1 5 m 两种，长2 8 m ，嵌入稳定岩层内 的深度约为桩长的1 4 ；桩顶用锚索或锚杆锚入基岩长约6 0 6 5 m 。 图1 - 4 奥地利公路某滑坡横断面图 其他如原苏联、捷克、巴西、土耳其、 也曾用柱来整治滑坡。它们抗滑桩的特点， 目前在世界上用桩整治滑坡已屡见不鲜。 1 4 2 国内状况【1 1 、 墨话哥、荷兰、意大利、波兰等国 主要也是采用钻孔灌注桩。总之， 我国最早应用抗滑桩是上二十世纪5 0 年代修建宝成铁路，当时的桩即与现 在挖孔灌注的抗滑桩一样，系钢筋混凝土结构，但主要用于整治少数岩石顺层 滑坡。例如，在史家坝隧道进口石灰岩顺层滑坡，经用几根3 m 长的抗滑桩， 埋置在滑动面上、下，即稳定了滑坡，该桩只考虑抗剪作用，功能较单一，如 图1 5 所示。 图1 - 5 史家坝滑坡横断面图 1 9 6 5 年，修建川黔铁路，对楚米铺滑坡采用钢筋混凝土圆管打入桩与沉井 相结合的措施进行整治。管桩共三排、2 0 根，利用1 6 0 型震动打桩机施工，桩 顶在平面上用混凝土及钢筋混凝土水平桁架联结，形成良好的桩群结构，共同 抗滑。 对抗滑桩的应用与发展影响较大的是修建成昆铁路。1 9 6 6 年，在该线的设 计和施工种改变了以往整治滑坡施工难、成效慢的局面，勇于实践，首先采用 了大截面的挖孔灌注的排式单桩来整治大型、复杂的甘洛2 号、沙北l 号滑坡。 同时，初步建立了一套相应的设计、计算方法。 甘洛2 号滑坡和沙北1 号滑坡采用桩、墙结合“上锚下挡”整治的。如图 1 - 6 为沙北l 号横断面图，设在滑坡中部的抗滑桩，承受很大一部分推力，一待 竣工，再于滑坡下部挖路堑、设挡土墙。与原拟的框架明洞方案、抗滑挡土墙 方案相毙，即利于施工，又分别节省钢材3 0 t 、圬工2 0 0 0 m 3 ，显示出多方面的 优越性，深受现场欢迎。 图1 - 6沙北1 号滑坡横断面图 襄渝铁路在2 7 处滑坡中，共设桩4 0 8 根，累计长达7 7 9 6 m 。特别是用抗滑 桩成功整治了许多复活的深层、特大古滑坡。例如石庙沟车站东端的赵家塘滑 坡，滑坡处于变质岩大断裂地带，构造及其复杂，又濒临汉江，横宽2 5 0 m ，纵 长5 0 0 m 。滑动带深度一般达二、三十米，滑动速度平均每月3 0 m m ，最快时六 天之内达2 1 m m 。当时己建成的铁路，似有山移路断之势，危害巨大。经过详 细的调查研究和分析比较，采用了大型抗滑桩整治，方使滑坡稳定。共设桩4 排、6 3 根，累计长度1 6 8 1 m ，其最大截面为3 5 m x 7 o m ，单根长度和竖井开挖 深度分别达4 8 m 和5 0 m ，是目前我国最大、最长的抗滑桩。 总之，目前我国抗滑桩应用广泛，已成为防治滑坡的有效工程建筑物。 1 5 抗滑桩的型式 1 1 单桩 单根独立抗滑桩，又分为全埋式和半埋式两种。全埋式为自由段和嵌固段 全部埋入地层中。半埋式为自由段出露地表，嵌固段埋入稳定地层中。单桩为 悬臂梁式受力，其经济长度一股为l o 2 0 m ，抵抗滑坡推力5 0 0 1 5 0 0 k n m ， 全埋式抗滑桩的优点是桩前土体能提供一定的抗力，但挖孔深度较大，在地质 情况较差时，施工困难。半埋式抗滑桩常置于公路路基边缘，外露自由段可采 用变截面，半埋式抗滑桩的挖孔深度一般为桩长的1 2 1 3 ，因此，其配筋、混 凝土方量和挖孔深度均较全埋式节约。 2 ) 桩板抗滑桩 桩间土件较为松散且地基承载力较差时，如采用单桩，桩间土有可能从桩 间挤出，造成边坡变形甚至局部坍塌。桩板抗滑桩是在桩与桩之间采用平板或 拱板形。图l 一7 为成昆铁路狮子山板桩式抗滑桩j 。 j ! ! 塑 l 图1 7 狮子山板桩式抗滑桩 3 ) 框架式抗滑桩 将前后两根抗滑桩用一根或多根横梁联接，使之成为一刚架结构，一般前 后排桩均为直立。在地形条件允许的条件下，前排桩可采用斜桩，结构内力计 算表明，其斜度越大，造价越经济。框架式抗滑桩最大的优点是抗滑能力大， 一一殷可抵抗2 0 0 0 5 5 0 0 k n m 的滑坡推力，这种结构型式的受力方式明确，计算 结果精确可靠。 4 ) 锚索桩 由钢筋混凝土抗滑桩和预应力锚索或锚杆组成，把桩嵌入稳定岩层，在桩 顶端用锚杆或锚索锚入稳定岩层并进行张拉，使抗滑桩形成简支梁受力系统。 它使抗滑桩避免了悬臂梁式受力，从而使桩截画、桩长度、配筋量大大减小， 节省投资，并且可根据滑坡推力的大小，控制拉力，从而改变抗滑桩的被动受 力方式 10 1 。 1 6 抗滑桩的优势及存在的问题 1 6 1 抗滑桩的优势 长期以来，抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳 定性治理中。在国内外自2 0 世纪5 0 年代中较成功地开始使用抗滑桩以来，至 今已有5 0 余年的历史。抗滑桩是凭借桩与周围岩、土的共同作用，把滑坡推力 传递到稳定地层，即利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力。桩 在滑坡中，在一定程度上改善了滑坡状态，促使滑坡向稳定状态转化。与防治 滑坡的传统措施，例如排水、减载、挡土墙等工程相比，抗滑桩对滑体扰动少， 适用条件广泛，施工简便，工程量少且投资省，特别是当滑体的滑动面明确， 滑动面下覆地层强度较好时，更能体现它的优越性。因而在国内铁道、采矿、 建筑、水电等各部门广为采用并为人们所重视。 抗滑桩的类型较多。按施工方法分，有打入桩、钻孔桩和挖孔桩；按材料 分，有木桩、钢桩和钢筋混凝土桩；按截面形状分，有圆形桩、管形桩和矩形 桩：按桩与土的相对刚度分，有刚性桩和弹性桩：按结构型式分，有排式单桩、 承台式桩和排架桩等。 根据抗滑桩类型的不同，兼有以下优点： ( 1 ) 抗滑能力强，圬工数量小，在滑坡推力大、滑动带深的情况下，能够克 服抗滑挡土墙难以克服的困难； ( 2 ) 桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位，可以单独使用，也 可与其他建筑物联合使用。分排设置时，可将巨大的滑体切割成若干分散的单 元体，对滑坡起到分而治之的效果。 ( 3 ) 可以沿桩长根据弯矩大小合理地布置钢筋，因此相同条件下，比一般不 能分段布置不同数量钢筋的桩( 如管形桩、打入桩) 要经济； ( 4 ) 施工方便，设备简单。对于水利工程中常常遇到的大型滑坡，抗滑桩可 采用人工挖孔桩，采用混凝土或少筋混凝土护壁，即使在地质条件较差的情况 下，也可做成二、三十米深的大型抗滑桩，有力的提高边坡稳定性并且安全、 可靠： 1 ( 5 ) 间隔开挖桩孔，不易恶化滑坡状态，利于整治正在活动中滑坡，利于抢 修工程： ( 6 ) 通过开挖桩孔，能够直接校核地质情况，进而可以检验修改原设计，使 之切合实际。 随着新技术、新工艺的发展，抗滑桩由排桩发展为钢架桩、门型桩、h 型桩、 椅式桩墙、抗滑桩一压杆联合系统等，从结构上改善了桩的受力状态，在条件 具备时可以应用。 1 6 2 存在的问题 抗滑桩的应用绝大多数取得了成功，个别失败者主要是因为滑坡性质定得 不准，如滑面位置、滑坡范围、滑坡推力，或设计参数定得不准，如地基抗力 系数等，造成桩得埋深不足而倾倒或折断。抗滑桩设计有以下几个问题： 1 0 1 ) 滑坡推力的分布图式及桩受力产生变形而引起桩前后土石的弹性抗力 的分布图式均需实测验证。 2 ) 多排桩及桩墙分级支挡设计中，桩排间及桩墙间的推力分配量，尚需实 测； 3 ) 抗滑桩的效果评价问题。是否设计上安全储备过大，还需进一步研究； 4 ) 目前抗滑桩的设计计算理论和计算方法还不成熟。传统设计计算理论所 采用的的许多假设都在不同程度地回避了桩一土相互作用的全面分析。72 ”。 如地基系数法把土体对桩的作用等复杂因素通过文克尔假定，简化成单纯的地 基系数作用于桩上：而其它的几种塑性理论或极限理论，要么假定桩为剐性体， 要么假定桩一土体系达到极限平衡，所以，这些设计计算理论本质上都未彻底 解决桩土相互作用力学机制的问题。 1 7 抗滑桩的研究现状 1 - 7 1 试验研究 1 ) 国外研究现状 国外从二十世纪四十年代开始逐渐采用抗滑桩来整治滑坡，美国、原苏联、 英国、日本、比利时、奥地利、捷克、荷兰、意大利等国均在公路、铁路、水 利滑坡整治中采用抗滑桩，到六十年代用桩整治滑坡己相当普遍。 日本对抗滑桩的研究较多，桩的型式多为钢管桩。国外其他一些国家对滑 坡中的抗滑桩研究较少，对侧向受荷桩研究较多，一般把抗滑桩纳入侧向受荷 桩的范畴j 。1 9 7 2 年，b b b r o w s 、f b a g u e l i n l “、p o u l o s 等人以弹性理论、塑性 理论对侧向受荷桩进行了深入的研究，把侧向受荷桩分为刚性桩、半刚性桩及 柔性桩，通过试验研究分析了侧向受荷桩的受力状态和土压力分布规律，用弹 性理论的m i n d l i n 方程和地基反力系数法计算侧向受荷桩的位移。1 9 7 7 年， e b a g u e l i n 、r f r a n k 、y h s a i d 假设岩土体为弹塑性介质，并把“土一桩系统” 问题简化为平面应变问题，对土与桩的共同作用进行了二维有限元研究，研究 了桩的形状、土壤的扰动和塑性变形对桩截面位移的效应，得出上述各项因素 仅对桩周附近的应力与应变有所影响的结论；并把抗滑桩作为一根在半无限弹 性固体中，受水平荷载的铅直轴，进行了三维研究。 六十年代国外就将有限元分析应用到滑坡整治的抗滑桩设计中。1 9 6 7 年， 美国旧金山波特罗山( p o t r o r o h i l l ) 的一座建于1 9 0 6 年的无筋圬工铁路隧道上 方修建公路，由于公路开挖引起地表、地下水及铁路隧道的一定量的移动，整 治处理采用了3 0 座保护隧道的钢筋混凝土排架，应用平面有限元分析确定滑坡 滑动的原因，研究各种整治方案，将监测数据与有限元分析结果相互对照，为 整治设计提供依据，成为应用有限元分析进行整治设计的成功例子峥j 。 2 ) 国内研究现状 我国使用抗滑桩整治滑坡最早是在二十世纪五十年代修建宝成铁路，对抗 滑桩的理论研究始于六十年代，主要采用了试验研究、理论计算、有限元分析 等方法。 二十世纪六、七十年代铁道部西北研究所对堆积土滑坡中已建抗滑桩桩背 滑坡推力进行了实测，来检验设计滑坡推力的大小和图式，得到了滑坡推力分 布的一些规律。 1 9 7 7 1 9 7 8 年铁道部一些单位联合在成昆线狮子山滑坡第一、二根抗滑桩 现场加载试验，研究单根抗滑桩在滑坡推力作用下与土体的工作状态，研究它 在不同外荷作用下产生的位移、内力和土抗力的分布规律以及桩侧摩阻力对桩 的影响等。 八十年代初，西北研究所进一步对单根抗滑桩受力条件做模型研究，对三 种情况进行模拟：( 1 ) 桩前滑体具有不同的极限抗滑力时抗滑桩的受力条件；( 2 ) 桩锚固深度不同时抗滑桩的受力条件；( 3 ) 桩前滑体的极限抗滑力及桩的埋深 固定时，随着下滑力的增大，桩前滑体的抗滑力、桩身变位、弯距及抗力的发 展变化情况。得到当滑动面以上桩前滑体的极限抗力不能克服时，即虽有滑动 面的存在，但不能真正起作用时，抗滑桩与普通侧向受荷桩无本质区别的结论。 但试验假设桩士为平面应变状态，没有研究群桩的受力性状和桩间距问题刈。 1 9 8 2 年铁道部第二勘察设计院徐良德、尹道成、刘慧明等通过室内模型试 验，对滑体为松散介质、粘性土时，作用在抗滑桩上的下滑力、桩前滑体抗力、 锚固段地层反力的分布规律进行研究，为设计计算提供了一定依据”1 4 jo 刘 宇成、王建华就滑动面软弱夹层对抗滑桩受力状态的影响进行了模型试验研究。 1 7 2 抗滑桩计算的传统理论 1 ) 塑性理论【2 3 2 72 82 9 t o r n i ol t o 等人提出了塑性变形理论，后逐步形成一套比较实用的设计计算 方法。其主导思想是，阻滑桩的设计不仅要保证全部桩作用下土体的稳定，而 且还要保证每根桩本身的稳定性。主要包括下述计算过程：滑动面以上土体作 用于阻滑桩上的侧向压力；桩体的稳定分析；士坡的稳定分析。该理论的前提 假设是：随着滑动土体的位移增长，作用于桩上的侧向土压力从零开始逐渐地 增大，直到桩周土体破坏达到极限值；假定土体己经滑动，滑动面上的抗剪强 度尚未降低；桩周土体为塑性体；桩为刚性材料。然后根据桩周土体的塑性变 形状态，推导出作用于阻滑桩上的侧向土压力计算公式，从而用来研究排桩间 距、桩顶固定条件、桩在滑动面以上的长度、直径和刚度等因素对边坡稳定性 的影响。此外t o m i ol t o 等人同时还把土体作为粘塑性材料，进而推导作用于桩 体上的侧向土压力，提出了塑性流动理论，但由于该理论中一个对计算结果影 响很大的重要参数一塑性粘滞系数难以精确估计，用该套理论计算的结果往往 与实测值和试验都不符，因此并没有形成具有实用价值的设计计算方法。塑性 理论方法也被用于多排桩的设计计算，此时假设每个桩排均远离相邻的排桩， 从而忽略各排桩之间的影响。 由于塑陛理论的解都是极限解p j ，并且假定桩是刚性的，所以与实际情况 并不相符。实际上，桩体变形对土压力的影响很大，在土体发生塑性破坏前， 桩往往已达到弯曲破坏，因此土压力的理论计算值总是高于实测值。 2 ) 地基系数法 因为桩的横向尺寸与其轴向长度相比要小得多，所以经典的梁挠曲理论是 可以应用的，由此可推出桩的微分方程： e p ip 式中 参= 碱飞， m ， e d 一一桩的弹性模量m 2 或k p a ) i 口一一桩截面的惯性矩( m 4 ) ； u p 一一桩在深度z 处的位移； l 】s 一一无桩时( 不考虑相互作用) 求得土体在该处的位移( m ) ； k h 一一k _ | = r 2t 【2 ，“p , u s j 是地基系数( 恤3 或p a m ) ： p o u l o s 的研究结果表明，用这种方法计算时，桩体最大弯矩理论值偏高， 而桩头反力的值却偏低。b a g u e l i n 于1 9 7 6 年也进行了类似的研究，发现土体水 平位移的计算值往往比实测值小得多，只有代入实测的土体位移值，才可得到 满意的结果，而这是相当困难的该方法的另一个局限是仅适用于单桩的情况 3 ) 散体极限平衡理论法【j u 沈珠江1 9 9 0 年提出了不仅考虑了土坡与桩的整体滑动计算，而且还包括了 土体绕桩滑动计算的散体极限平衡理论，基于这套理论建立的设计计算方法主 要包括以下步骤：桩的绕流阻力计算一整体滑动验算、绕桩滑动验算，以及桩 的破坏验算。 极限设计的原则是假定参与工作的各部件都已达到极限应力状态，各自发 挥了最大的承载力，然后按安全系数对其折减。就抗滑桩来说，极限状态应当 是：土坡恰好将要滑下，桩刚好要折断或推倒，而桩间土又恰好要绕桩流动。 因此上述的各步计算都是在这种特定状态下进行的 1 7 3 抗滑桩的工程计算方法 目前国内计算抗滑桩，一般是将地基土视为弹性介质，应用弹性地基粱的 计算原理，以捷克学者温克勒提出的“弹性地基”的假说作为计算的理论基础。 由于对滑动面以上桩前滑体所产生的作用看法不同，因而桩的计算方法不 同，大体上可归纳成两种。 1 ) 悬臂桩法例 将滑动面以上的桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体所产生的剩余抗滑力或 被动土压力视为已知外力，井假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在滑 动面以上桩身的设计荷载。然后根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段 的桩壁应力以及桩身各截面的变位、内力。桩的计算图式，相当于锚固在滑动 面以下的悬臂结构，故称为悬臂桩设计法。此法出现早，计算简单，在实际中 应用较多。 2 ) 地基系数澍u 将滑动面以上桩身所承受的滑坡推力作为已知的设计荷载，然后根据滑动 面上、下地层的地基系数，把整根桩当作弹性地基上的梁来计算，因而对滑动 面的存在及影响没有考虑这样做，只有当求出的桩前土体弹性抗力小于或等 于桩前土体实际具有的剩余抗滑力时才可以，否则不合理，应改用换算地基系 数重新计算，直至桩前土体弹性抗力等于或近似等于桩前土体实际剩余抗力为 止。 根据对地基系数的假定条件不同，又可分为“k 法”、“m 法”和混合法三 种。 “k 法” 认为地基系数k 为一常数，不随深度的增加而增加。该法适用于较完整的 硬质岩层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层。 “m ”法 认为地基系数随深度的增加成比例增加。该法适合用于一般硬塑半坚硬 的砂粘土、碎石土和风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度增加而增 加的地层。 混合法 认为地基系数随深度的增加而增加，但到定深度后就不再增加，即采用 m 法和“k ”法的混合计算。 1 ，7 4 有限元法分析抗滑桩 有限元法作为普适性较好，模型化能力强的数值方法，对于任何复杂程度 的桩一土相互作用问题都是一个可行的途径，是种“以不变应万变”的，形式 和途径都较为统一、可编程性好的数值分析方法。 随着计算机技术的迅速发展，近年来越来越多人开始采用有限元分析桩的 受力状态，为桩的设计计算提供了一种新的途径。目前采用有限元分析的一个 总的特点是：根据极限平衡法求得滑坡推力，然后假定滑坡推力的形式，作用 于桩上，用有限元分析桩在此分布力作用下与桩前土体的相互作用。此方法未 考虑到土体应力、应变特性和桩与滑面以上的桩后土体间的相互作用等因素。 1 8 抗滑桩研究的重要性 我国是滑坡广泛分布的国家。以我省渠道滑坡为例，从五十年代起我省逐 渐大兴水利工程，山丘易旱地区的几座大型灌区相继开发，如淠史杭、陈村、 驷马山等灌区和几条大型河道的开挖都遇到切岭的深挖方，这些工程大部在广 为分布的裂隙硬粘土层m j 中开挖的，由于对土层的认识不足，在设计施工上没 有引起足够的重视，以致开挖中和开挖后，经常出现不同程度的滑坡。6 0 年代 以来陆续出现规模大小不一的滑坡达2 0 0 余处【4 “，不同程度的影响着工程效益。 如新汴河徐岗切岭的北岸滑坡长度发展到近6 0 0 m ，堵塞河道达三分之一，陈村 灌区纪村切岭岩石岸坡滑动，也影响行水，另外在淠史杭灌区内滑坡数量也较 多，如六安纸厂、曾家岗、淠化等，另外芜湖市、徽州地区的灌区也出现较多 滑坡。在治理的初期，主要是采取削坡减载、表面排水、挡墙等治理措施，但 效果并不理想，几个大的滑坡如姚庙、将军岭等经治理后不久又重新滑动。进 入8 0 年代后以抗滑桩为主的综合治理措施被大量使用，绝大多数取得了成功， 取得了显著的效果。根据统计资料j ，我省的滑坡体厚度，一般为3 7 m ，个 别达到8 5 m ，多数属浅层，少数属中层，用抗滑桩治理效果比较明显且投资相 对较省。 虽然到目前为止，用抗滑桩治理滑坡大多数是成功的，在滑坡机理分析和 治理设计方面也不断的取得进展，但远未成熟，存在的技术问题仍较多。部分 滑坡安全储备太大，导致不必要的浪费，而不是理性分析研究的结果。少数滑 坡治理设计安全系数过小，危及生命财产安全。例如芜湖市花津桥防洪墙滑坡 治理原设计采用一排抗滑桩，施工后不久滑体又重新滑动，经二次治理后堤坡 才稳定；小蜀山分千渠上的枝花树2 。滑坡由于设计及施工不当，治理后不久抗 滑桩即被推翻：淠史杭灌区大潜山干渠的老佛塘、滁河干渠上的岗中以及瓦东 干渠的七里杠左岸i i i 号滑坡抗滑桩竣工后不久均发生了不同程度的水平位移， 斜撑出现了严重屈折断裂的现象m j 。造成这些现象的原因是多方面的，主要表 现在： 1 ) 某些设计人员对滑坡机理及抗滑桩的受力特性认识不足，凭经验或主观 臆断确定治理方案，缺乏充分的理论依据。 2 ) 一些施工单位为节省设计费用，不委托设计部门进行治理方案设计，而 仅根据以往的所谓经验盲目确定治理方案，或生搬硬套别人的成功经验； 3 ) 部分设计人员不清楚设计时，对应需哪些基本资料，应做哪些勘查和试 验工作，测试哪些水工和土工参数等缺乏专业性认识。 由于上述原因，致使很多滑坡治理水平偏低，其结果要么是过于保守，以 经济为代价，要么就是失败，造成很大的经济损失，甚至以人民生命财产为代 价。因此，要提高我国滑坡治理整体水平，就应克服以上问题，以理论指导实 践，减少主观性和盲目性。所以对抗滑桩在滑坡治理中的应用进一步的研究是 有着重大意义的。 1 9 课题研究的目的和主要内容 滑坡是对人类危害最大的地质灾害之一，随着我国经济的快速发展，大量 的基础设施建设造成的环境地质问题和地质灾害问题，日益引起人们的关注和 研究。 滑坡治理是一个复杂的岩体工程问题。虽然抗滑桩出现较早，国内外在其 应用方面已有许多成功经验，在抗滑桩的机理分析和理论研究方面不断取得进 展，但远未成熟l l 。尤其是对桩一土之闯的作用机制等问题尚未完全搞清楚， 其设计理论还需进步完善。笔者在导师的指导下，结合自己参加芜湖市城市 防洪青弋江花津桥防洪墙滑坡整治设计工作的实践，对该滑坡和抗滑桩的设计 方法及原理进行了深入的研究和探讨。 该滑坡为一中型滑坡，它的发生直接对芜湖市的防洪安全造成了严重的威 胁。若滑体不能稳定以致于防洪墙破坏，将对人民的生命财产安全带来巨大的 损失。鉴于其重要的政治意义，有关部门对滑坡的勘查和整治给予了高度重视。 经分析计算，我们采用了以抗滑桩为主，坡面排水、砼护坡、抛石反压固脚为 辅的综合治理方案。在设计中，如何满足技术可行、安全可靠、经济节约的原 则，整治措施如何与滑坡的工程地质条件相适应。同时，如何使抗滑桩的设计 更符合实际并进行桩的合